不同含量氘中的磷酸二氘钾晶体晶体力学性能研究.doc

不同含量宛中的磷酸二宛钾晶体晶体力学性能研究KDP晶体及DKDP晶体圧卄:常重要的光学材料，常用来作髙功率大口径激 光系统里电光开光和频率转换品体⑴.DKDP晶体常用作三次谐波产生晶体， 也称作三倍频器件【铁这些胡体堆主要的问题是在激光光强远低于其本征激光 诱导损伤阈值情况下发生损伤破坏.激光诱导损伤的产生主要是由于超快局部 熔融，导致英周围材料的塑性变形和斷裂破坏卩•铁因此，研究这世晶体的变形 及破裂特性有助于深入理解DKDP晶体中的激光诱导损伤特性.由于硬度性质根本匕跟材料的晶体结构相关，显微硬度广泛用来表征晶体 的塑性KDP敢晶的力学性质已经通过维氏硬度测试得到广泛研究. Shaskofskaya及其同事【呦采用微米压痕研究过 ◎出“叫晶体（笊含量分别 为x=0.00, 0」& 0.50, 0.95）的硬度，结果表明室温下随着晶体中肌含量从0增 至0.95,品体的维氏硬度从1.48GPa降至l.28GPa.Kuchcycv等人⑴】报道过1pm 球径圆球压头对KD2rH2（1.I）PO4晶体（佩含1ft x=C.O, 0.3, 0.6）纳米压痕形变性质. 而且，在实验误差范国内，他们发现这些晶体的形变性质与訊含量无关，但（100） 面和（001）面之间有差异.关于愛度的笊化效应，这两种结果明显的差异在于 前者结果可能受到由于生长条件导致的多种缺陷和杂质的影响，后一种结果归 因于与样品表面宛-氯交换相关的拉应力效应"叭因此有必要在消除这些干扰的 情况下研究笊含址对DKDP晶体硬度的作用和影响.本章，我们给出相同条件下点籽品法生长的不同宛含量DKDP晶体的 （100）, （001）和三倍频面上的显微硬度，分析了他化水平对这些结果的矽响， 给出并讨论了压痕尺寸效应.3.2晶体样品加工及显微硬度测试图3.1样品切割方向Fig. 3.1 The orientation of cut for the sample实验中所测试的晶体都是在5000ml玻璃瓶中山笊化溶液中通过快速降温 法生长.具体晶体生长参数见22节，编号分别为I, 2, 3, 4, 5. 8. 9, 11, 12・这些晶体的生长温度基本一致.所使用的原料、溶液处理手段、生长过程 中降温速率等也丛一样的.品体中没有肉眼可见的缺陷，从（010）方向上观察 的晶体照片如第三节图3.3（a）所示.便度测试样品分别沿两个方向进行切割（见 图3.1） « （1） z切样品，包含（001）面和（100）面：（2）二类频率转换方 向（tripler cut plate）,光轴与z轴倾斜成59°角，也就是三倍频切割，带有三倍频 面.坯片表面先经定向（精确度±7、，再粗!f?、细序，最后使用无水磨料泥浆 采用传统拋光方法耕抛成光亮面.利用HXS-1000A型数字式智能显微便度计对拋光之后的KDP品体（001） 面、（100）面、三倍频面分别进行压痕实鲨，加载载荷依次为5g, 10g, 50g 和100g,加载时间均为Is,负荷均和缓加载.在每一个载荷下至少重复实验3 次，压制压痕时保证相邻压痕间的距离为压痕对角线尺寸3倍以上，以减少实 验谋差.此外，金刚石压头的一条对角线在（001）和三倍频面上平行于［100］ 方向，在（100）面上平行于［010］方向.在数字式显微镜下测量压痕对角线的 长度（图3.2）,采用Axio Lab. Al光学显微镜观察不同载荷、不同测试面上的 压痕及压痕边缘裂纹图像.实验采用的计算公式为何：(3.1)//, = 1.8544P/J2式中：P为实验采用的载荷(g)，d为压痕对角线的平均值(mm),尽为维 氏硬度(Kg/mm2) •图32爪痕在材料衷面的投彫Fig. 3.2 Projection of the indentation on the sample's surface3.3结果与讨论33.1灵纹分析图33 所生长的32%DKDP晶体照片(a), 32%DKDP晶体样品测试面上的圧痕：(b)5g,(c)10g, (d)25g, (e)50g. (f)100g 负载住(001)面；(g)25g 戻鐵在(100)面上：(h)25g 负载在三借频面上.Fig. 3.3 Photograph of the as-grown K(H|.mDji)2PO4 crystal with composition x*0.32 (a).Indentation marks of the crystal with composition x=032 for: (b) 5 g, (c)10 g, (d)25 g, (e)50 g,(f)100 g load on (001) fiKe; (g)25 g load on (100) face; (h) 25 g load on the triplcr face.图3.3(bM)中给出了 32%氛化晶体的表面上裂纹形成的一些例子.压痕周 围出现的裂纹可以分成两类：1)径向裂纹：在加戏过程中实际上是在压头顶尖 的正下方首先产生裂纹的，径向裂纹是由该裂纹沿压头棱边扩展至表面形成的. 因此，一般将该裂纹系统称为中介(Median”径向(Radial)裂纹系统；2)从压痕 的侧面上和表面下层产生的一系列小崩碎状的侧向(Lateral)裂纹.在低载荷下， 由于位错的运动，压痕变形以位错花瓣的形式出现。

当载荷低于25g时，压痕 周围没有出现崩碎.当负载为25g时，出现从压痕的角上延伸的辐射裂纹，而 且在压痕周围出现了轻微的变形区.随着负载进-步的増加，压痕下面出现横 向裂纹，并在平行于样品表面之下的一个平面上横向扩展.在更高的载荷下， 压痕周围出现花瓣形的变形区域.图3.4晶体样品表面圧痕裂纹的产生Fig. 3.4 The formation of cracks around the indentation on sample's surface从图3.4中可以看出，在压头正下方的塑性变形区利弹性变形区的交接处, 所受应力达到最大值.当该点应力超过材料的断裂极限时，中介裂纹开始产生. 由于在压头棱边处产生应力集中，该裂纹沿着压痕的棱边扩展至样品表面形成 径向裂纹.当载荷继续增加时，压头和样品接触面上的接触应力増加，载荷撤 销时，材料的弹性变形区由于弹性恢复对塑性变形区产生一作用力由于弹性 恢复造成的弹性变形区和型性变形区应力不匹配导致了侧向裂纹的产生.该裂纹一直扩展，达到应力平衡为止，造成压痕周围边面上形成大规模的脆性崩碎 破坏I叫此外，从图3.3中还可以看出在（100）面和三倍频面上的菱形压痕明显要 比（001）面上的大得多.从图中可以明显的看出，相对于（001）面上从这些 压痕导出了垂直和辐射状裂纹.特别的是，三倍频面上的压痕的相邻两条裂纹 之间出现了扇形破裂.这可以解释为在KDP晶体结构中，氢键几乎与c轴垂直, 根据三倍频面切割角度（0=59・，＜p=0-）,可知有一半的O-H®是与三倍频面倾 斜.33.2压煩尺寸效应工-leqEnuv)sOJJP」e-c:0」9E 5130仃01600 20 40 60 80 100 120Load P(g)—)c«0 -c-x-0.12—x*0.23 —g x*0.32 —•—1=0.41—x«0.S1• x>0.62 —-_ m«0.74- x»0.85图3.5不同笊含IhS体的（001）面上维氏硬度凤随着负銭尸麦化关系Fig. 3.4 Variation of Vickers hardness number Hv with applied load P on （001） face for diffmntdeuterated concentration x从图3.5中可以看出，这些晶体的显微硬度随负救变化而变化.最开始时 对于每一晶体（001）面的硬度值随着负载增加而増加直到载荷达到25g.这种 变化行为可以根据被压表面的本质得到合理的解释.在低载区，压头仅仅压入 晶体表层的上部.硬度主要依赖于晶体上表层的应变分布.低载荷时主要作用 在晶体的上表层.事实上，由切割、磨削、抛光而得到的表面之下的薄层内会 出现加工硬化效应，这会导致薄层有更高的硬度。

加工后晶体的上表层损伤层 非常严重，它们以位错，塑性变形、亚晶粒形成、残余应力（热应力、机械应 力、应变应力）等形式存在（0“」叽随着负载的増大，压头穿过损伤层，位错 密度、塑性变形、残余应力和变形能都减小，次农面干扰层的影响将会消失. 进一步加大载荷，磧度指数就会逐渐减小.这种现象就称之为压痕尺寸效应 （Indentation Size Effect）, 一般是指随着测试载荷加大显微硬度减小的过程.当载荷为25g时，硬度指数达到其最大值.其它面上的硬度测试也是采用这个 载荷，这种载荷下压痕周出不会出现明显的裂纹.0.8 0l5 1.0 1.5 2.0gP(PI")e 4.2.01111 (Ea£p)p60f图3・6K(HmD02PO4晶体(x=0和0.85)的Mayer对数图Fig. 3.6 Log^log Meyer plot for K(H|.,|DX)2PO4 crystals (x=0 and 0.85)o.o 02 04 os ae i.oComposition x图3.7加工硬化指数〃威着晶体爪含董摩尔细分x的变化关系Fig. 3.7 Variation of the work hardening index n with molar concentration x这卑我们采用简单的Mayer定律描述压痕尺寸效应。

根据Mayer定律， 测试载荷和相应的压痕尺寸数据关系表达式如下：P = <3.2)式中，ki楚材料常数，n是指加工硬化系数，其它符号跟式3.1中含义相同・从 这个关系式中可以清楚地看出，当n大于2时维氏硬度Hv随着负载增加而增大, 当n小于2时随着负载增大而妙小实验中，我们可以从负载和压痕的对数直 线图中得到所有晶体样品的加工便化指数n采用最小二乘法对开裂之前的logP 和logd拟合的关系如图3.6所示•对所有组分晶体來说,n的数值都在1.96(E)) 和2.05 (x=0.85) 2间.因为这些晶体的系数变化很小，因此这里只给出了两 条数据拟合线(x=0, 0.85)以避免更合.一般來讲，对于硬性材料n数值在1 和1.6之间，对于软性材料则大于1.6加工硬化系数与晶体気含量的关系见图 3.7所示，可以看出n的数值随着氟含虽的增加而逐渐增大.尽管如此，所有这 些不同笊含fit的晶体都属于软材料范畴应该注意的是压痕尺寸效应一般跟n 数值跟2的偏差有关系，因为当n等于2时压痕尺寸效应就不存在•本实验中， n的数值跟2的偏差都比较小，这说明压痕尺寸效应不明显由丁物镜分辨率 和负载单元灵敏度的限制I"所导致的实验误差可能掩盖了当n大于2时随负载 增加测试硬度的增大趋势.从图3.7中还可以看出，KH2PO4品体的n值低于 KCHxsDoQbPO。

晶体的n值，晶体的强度随着宛含虽的增加是降低的，这跟硬 度Hv的测试值是相一致的.对于脆性材料而言，压痕尺寸效应是由压痕周围裂 纹的产生所引起的何.333笊含■对DKDP晶体显微硬度的影响1601501401300.0 0J 0.4 0.6 0.8Composition x1.0180170(EE ⑨)110JoqEnu 8®CP«55E 5®xo->图3.8不同测试面上维氏硬度凤随着样品笊含It的变化关系（负»F=25g）Fig. 3.8 Variation of Vickers hardness number H9 with the compositio。